Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 2/2015 (106) 59 Arkadiusz Duda, Janusz Petryna, Maciej Sułowicz, Politechnika Krakowska, Kraków Krzysztof Guziec, SENCO Sp. z o.o., Kraków METODA WSTĘPNEJ OCENY STANU WIRNIKA SILNIKA INDUKCYJNEGO PRZY POMOCY DEDYKOWANEGO PRZYRZĄDU OPARTEGO NA POMIARZE STRUMIENIA POOSIOWEGO METHOD OF PRELIMINARY ASSESSMENT OF AN INDUCTION MOTOR ROTOR USING A DEDICATED INSTRUMENT BASED ON THE MEASUREMENT OF AXIAL FLUX Streszczenie: Doświadczenia autorów w oparciu o pomiary laboratoryjne i przemysłowe wskazują, że poprzez pomiar strumienia poosiowego maszyny indukcyjnej można dokonywać oceny stanu wirnika podczas pracy. Pomiar ten jest łatwy do przeprowadzenia i wg autorów metoda diagnozowania oparta na takim pomiarze jest konkurencyjna w stosunku do metody MCSA, opartej na analizie widma prądu. Przez porównanie amplitud przebiegu czasowego strumienia można ocenić, czy w wirniku zaszły jakieś zmiany w postaci degradacji klatki. Odfiltrowanie sygnału we właściwym paśmie pokazuje wyraźną zależność poziomu sygnału dla danej maszyny od zakresu degradacji, w tym od liczby uszkodzonych prętów. Dla potrzeb szybkiej wstępnej oceny porównawczej stanu klatki zaprojektowano i wykonano przyrząd, oparty na pomiarze amplitudy strumienia poosiowego. Sygnał wyjściowy przyrządu może być także rejestrowany przez kartę pomiarową i posłużyć do szczegółowej analizy widmowej, umożliwiającej przeprowadzenie zaawansowanej diagnostyki. Abstract: Experience of the authors based on the laboratory and industrial measurements indicate that by measuring the axial flux of an induction machine it is possible to evaluate the condition of the rotor during operation. This measurement is easy to carry and, according to the authors, the method of diagnosis based on such a measurements is competitive with respect to MCSA method based on the analysis of current spectrum. By comparing the amplitudes of the time course of the flux, one can determine whether the rotor suffered any changes in the form of degradation of the cage. Filtering the signal in the proper band shows a clear dependence of signal level for the machinery from the range of degradation, including the number of bars damaged. For the purpose of quick preliminary comparative evaluation of the rotor cage condition, an instrument based on the measurement of the amplitude of the axial flux, has been designed and manufactured. The output signal of the instrument can also be recorded by the data acquisition card and used for detailed analysis of the spectrum that allows the further advanced diagnostics. Słowa kluczowe: strumień poosiowy, przyrząd pomiarowy, diagnostyka uszkodzeń, silnik indukcyjny Keywords: axial flux, measuring device, faults diagnostic, induction motor 1. Wstęp Sygnał strumienia poosiowego jest dobrym sygnałem diagnostycznym do określenia stanu maszyn prądu przemiennego [1]-[6]. Na podstawie doświadczeń z licznych badań diagnostycznych silników indukcyjnych przeprowadzonych w laboratorium, przemyśle i energetyce autorzy uważają, że poprzez pomiar strumienia poosiowego maszyny indukcyjnej można dokonywać oceny stanu wirnika podczas pracy [5], [6]. Rys.1 ilustruje sposób przeprowadzenia pomiaru strumienia poosiowego. Poziom sygnału przebiegu czasowego mierzony wartością skuteczną rośnie wraz z zakresem degradacji klatki. Wykonując od czasu do czasu taki pomiar można obserwować ewentualne zmiany w stanie klatki. Dla potrzeb szybkiej wstępnej oceny porównawczej stanu klatki zaprojektowano i wykonano przyrząd, oparty na pomiarze amplitudy strumienia poosiowego. Składa się on z cewki pomiarowej, aktywnego filtru dolnoprzepustowego oraz opartego na mikrokontrolerze układu z wyświetlaczem (Rys. 2). Umożliwia pomiar i zapamiętanie wartości skutecznych sygnałów z cewki pomiarowej: bezpośredniego oraz odfiltrowanego (poprzez włączenie filtra). Można także użyć sygnału wyjściowego do dokładnej analizy sta-
60 Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 2/2015 (106) nów dynamicznych silnika (np. rozruchu) oraz stanu ustalonego, przy zastosowaniu karty pomiarowej i komputera. 2. Pomiary W celu wstępnego przetestowania przyrządu poddano w laboratorium badaniu silnik klatkowy typu Sg112M-4 o danych znamionowych: P N = 4 kw, U N = 380 V, I N = 8.6A, n N = 1445 obr/min, z 3 wymiennymi wirnikami: symetrycznym (z nieuszkodzoną klatką), z jednym pękniętym prętem oraz z dwoma pękniętymi prętami. Za każdym razem silnik był jednakowo obciążony. Prąd obciążenia wynosił 4 A. Sygnały pomiarowe bezpośrednie (w kolorze niebieskim) oraz odfiltrowane (w kolorze czerwonym) ilustrują Rys. 3 i 4. Rys. 1. Sposób pomiaru Rys. 3. Ilustracja przebiegu strumienia dla 1 uszkodzonego pręta Rys. 4. Ilustracja przebiegu strumienia dla 2 uszkodzonych prętów Rys. 2. Prototyp przyrządu do oceny stanu klatki wirnika Tabela 1 przedstawia wartości skuteczne napięć, uzyskanych za pomocą przyrządu. Tabela 1. Wartości skuteczne napięć sygnału diagnostycznego Uszkodzone pręty U Ψ U ΨF 0 0,63 0,95 1 0,64 1,50 2 0,68 2,75
Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 2/2015 (106) 61 W obu przypadkach w przebiegach strumienia nieodfiltrowanego (kolor niebieski) widać wyraźne modulacje o częstotliwości prądu wirnika, o większej amplitudzie dla 2 pękniętych prętów. Przebiegi strumienia po odfiltrowaniu i wzmocnieniu zaznaczono kolorem czerwonym. W obu przypadkach współczynnik wzmocnienia był podobny (15.9 i 13.9), różnice wynikały z nieco innych częstotliwości prądu wirnika (2.617 i 2.567 Hz) i charakterystyki filtru (Rys. 5). Rys. 7. Widma przebiegów strumieni w zakresie do 3 Hz po wzmocnieniu Rys. 5. Charakterystyka filtra Dla dalszych porównań wykonano analizy widmowe przebiegów w przedziale częstotliwości do 3 Hz (Rys. 6 i 7). Z obu rysunków wynika również silna zależność amplitud od zakresu defektu klatki. Rys. 8. Widmo prądu dla klatki bez widocznego na zewnątrz uszkodzenia Rys. 6. Widma przebiegów strumieni w zakresie do 3 Hz Rys. 9. Widmo strumienia dla klatki bez widocznego na zewnątrz uszkodzenia Dla uwiarygodnienia proponowanej metody wstępnego diagnozowania klatki z wykorzystaniem strumienia dokonano porównania widm prądu i strumienia w przedziale 42-58 Hz. Rys.8 i 9 dotyczą widm dla silnika bez wido-
62 Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 2/2015 (106) cznego uszkodzenia klatki (choć jako klatka odlewana, wydaje się, sądząc po obu widmach, posiadać jakieś defekty wewnętrzne typu wżery lub bąble powietrzne), Rys.10 i 11 - z uszkodzeniem 1 pręta, zaś Rys.12 i 13 - z uszkodzeniem 2 prętów. Widać bardzo dobrą odpowiedniość widm prądu i strumienia. W oparciu o wymienione widma dokonano wyliczenia wskaźników defektu klatki RFI (Rotor Fault Index), wg formuły: RFI A A 1 = p (1) gdzie: p liczba par biegunów A 1 -amplituda składowej poślizgowej f 0 (1-2s), A 0 - amplituda podstawowej harmonicznej zasilania f 0 0 Rys. 12.Widmo prądu dla 2 uszkodzonych prętów Współczynniki te są przedstawione na Rys.14 - na podstawie widma prądu oraz na Rys.15 - na podstawie widma strumienia. Rys. 10. Widmo prądu dla 1 uszkodzonego pręta Rys. 13.Widmo strumienia dla 2 uszkodzonych prętów Rys. 11. Widmo strumienia dla 1 uszkodzonego pręta Rys. 14. Wskaźnik uszkodzenia klatki na podstawie prądu stojana
Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 2/2015 (106) 63 Rys. 15. Wskaźnik uszkodzenia klatki na podstawie strumienia unipolarnego W Tabeli 2 zgromadzono istotne wielkości dla oceny i weryfikacji stanu klatki po wykonanych pomiarach. Tabela 2. Wielkości istotne do oceny i weryfikacji stanu badanego silnika Uszkodzone pręty A Ψ A ΨF f 2 [Hz] n [obr/min] RFI Is RFI Ψ 0 0,078 1,34 2,500 1424,5 0,75 0,81 1 0,100 1,40 2,567 1423,5 1,18 0,90 2 0,249 2,60 2,617 1421,5 1,20 1,00 3. Podsumowanie W oparciu o przyrząd, będący przedmiotem tego artykułu, można szybko wstępnie ocenić stan klatki silnika indukcyjnego, porównując bieżący wynik z poprzednim. Pomiar jest szybki, bezpieczny i nie wymaga uruchamiania procedur, zazwyczaj wymaganych przy korzystaniu z obwodów wtórnych silników wysokonapięciowych lub bezpośrednich obwodów pierwotnych silnik niskonapięciowych. Znaczący wzrost wartości skutecznej sygnału pomiarowego może być oznaką dalszej degradacji klatki i na jego podstawie można zarządzić dokładne badanie prądu lub strumienia podczas rozruchu lub widma w stanie ustalonym. Przyrząd ten jest szczególnie dedykowany energetyce zawodowej i elektrociepłowniom. 4. Literatura [1]. Dorrell D.G., Thomson W.T., Roach S.: Analysis of airgap flux, current, and vibration signals as a function of the combination of static and dynamic air-gap eccentricity in 3-phase induction motors, IEEE Transactions on Industry Applications, 1997, 33(1), pp. 24-34. [2]. Voitto Kokko: Condition monitoring of squirrelcage motors by axial magnetic flux measurements, Academic Dissertation, University of Oulu, 2003, Finland. [3]. Chmelík K., Foldyna J., Mišák S.: Magnetické pole v okolí asynchronního stroje, jeho zjišťování a využití, Electroscope, 2007, č. 2. Západočeská univerzita v Plzni, Fakulta elektrotechnická. [4]. Frosini L., Borin A., Girometta, L., Venchi G.: Development of a leakage flux measurement system for condition monitoring of electrical drives. 2011 IEEE International Symposium on SDEMPED, 5-8 Sept. 2011, pp.356 363. [5]. Petryna J., Sułowicz M., Duda A., Guziec K.: Wykorzystanie strumienia unipolarnego w diagnostyce maszyn prądu przemiennego. Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe nr 99, 2013, wyd. BOBRME Komel, s. 85-90. [6]. Petryna J., Sułowicz M., Duda A.: Wykorzystanie strumienia poosiowego do badania stanów dynamicznych maszyn indukcyjnych małej i dużej mocy; Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe nr 2 (102) 2014. Autorzy mgr inż. A. Duda, aduda@pk.edu.pl dr inż. J. Petryna, jpetryna@pk.edu.pl dr inż. M. Sułowicz, pesulowi@cyf-kr.edu.pl Politechnika Krakowska, Wydział Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej, Instytut Elektromechanicznych Przemian Energii, 31-155 Kraków, ul. Warszawska 24 mgr inż. K. Guziec,office@senco.krakow.pl SENCO Sp. z o.o., 30-716 Kraków ul. Albatrosów 10a